大瑞铁路一标段由中铁八局承建, 本标段共有隧道13.5座, 总计59941m, 占线路长度的85.59%。长度小于1000m的隧道770m/4座, 长度在1000m~2000m的隧道5620m/4座, 长度在3000m~4000m的隧道7211m/2座, 长度大于4000m的隧道46340m/3.5座。隧道工程围岩级别主要有Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级, 不良地质现象主要有断层破碎带、浅埋、瓦斯、高地应力、高温热水等。为提高预报的准确率, 我们结合大瑞铁路一标隧道多为破碎、断裂带、岩溶的地质特点, 确定采用“地质素描+地震波法+地质雷达法”的综合预报技术进行隧道的超前地质预报。对特殊地段辅以超前钻探法进行验证, 具体实施方案如下: (1) 超前地质预报以地震波法为主, 把TRT6000探测作为必检项目。 (2) 经过地震波法探测, 如果发现可能的岩溶, 则在挖掘到溶洞里程之前用地质雷达探测, 确定溶洞的存在及其准确位置, 如果含水, 则用超前钻探法确定。 (3) 经过地震波法探测, 如果发现软弱层, 在煤层发育地区, 采用超前钻探法探测软弱层是否为煤层。通过隧道工程超前地质预报工作, 进一步查清隧道开挖工作面前方的工程地质与水文地质条件, 指导隧道工程施工的顺利进行;降低地质灾害发生的机率和危害程度。下面以大瑞铁路阿克路隧道出口为例, 就TRT6000地震波三维超前地质预报系统在大瑞铁路的应用作详细介绍:
一、工程地质概况
阿克路隧道出口里程D1K61+480, 进口里程D1K53+035, 隧道全长8445米, 属特长铁路隧道。隧址区属构造剥蚀高中山地貌, 地面高程1641~2127m, 相对高差较大, 高山峡谷相间分布。地表上覆盖第四系滑坡堆积、坡残积土;下伏基岩侏罗系上统坝注路组紫红色砂岩;侏罗系中统花开左组泥岩夹砂岩, 紫红、灰紫色泥岩, 泥岩粉砂质结构, 厚层状, 紫红色砂岩, 中~细粒结构;三叠系上统麦初箐组紫红色、灰白色砂岩, 含煤线。地表水主要为沟槽沟水;地下水主要为第四系覆盖层孔隙水、基岩裂隙水及构造裂隙水。隧道主线穿越母子多背斜构造、母子多向斜构造以及地方拟建引水隧洞。区内不良工程地质主要为大古平断层带和阿克路断层带。
二、预测依据
《铁路隧道超前地质预报技术指南》铁建设[2008]105号。《关于报送隧道超前地质预报参考技术指南函》中铁二院大瑞函[2008]16号;《超前地质预报实施大纲》。
三、预测内容
(一) 预报掌子面前方围岩有无破碎岩层;
(二) 预报掌子面前方围岩有无不良地质体; (三) 预报掌子面前方围岩有无突水、突泥的可能; (四) 预报掌子面前方有无断层破碎带及其含水性。
四、预测原理
(一) TRT6000地震波三维超前地质预报系统方法原理。
TRT6000采用的是地震波超前预报法。这种技术的原理在于当地震波遇到声学阻抗差异 (密度和波速的乘积) 界面时, 一部分信号被反射回来, 一部分信号透射进入前方介质。声学阻抗的变化通常发生在地质岩层界面和岩体内不连续界面。反射地震信号被高敏度地震信号传感器接收, 通过信号处理和分析, 用来了解隧道工作面前方地质体的性质 (软弱带、破碎带、断层、含水带等) , 位置及规模。正常入射到边界的反射系数计算公式为:。假设R为反射系数, ρ为岩层的密度, v等于地震波在岩层中的传播速度。地震波从一种低阻抗物质传播到一个高阻抗物质时, 反射系数是正的;反之, 反射系数是负的。TRT6000采用层析扫描成像技术, 形成立体、直观的三维立体图, 立体图的反射边界每一点离散图像是由空间叠加所有地震波形计算得来。
(二) 探测仪器设备。
采用TRT6000超前地质预报系统, 它是由美国C-ThruGruound工程有限公司开发, 采用层析扫描成像技术获得隧道前方的全息图, 代表国际上隧道超前地质预报领域最领先的技术水平。系统主要组成及其技术特性:TRT6000记录单元:接收器端口:9个;记录通道:24个;采样间隔:31、64、125、250、500、1000或2000μs;记录带宽:40~15000Hz;模数转换:32位;记录长度:16000采样数每通道;频率范围:10Hz—75000 Hz;测量精度:最好10cm。低频过滤:25, 35, 50, 70, 100, 140, 200, 280, 400Hz (降低传输距离和土的噪声) ;高频过滤:250, 500, 1000Hz (降低风噪) ;延迟:0~9999ms, 每毫秒调节;工作电压:直流12U;工作温度:0~70℃;电源:外接电源90-240伏交流, 50/60Hz;探测距离:软岩一般150m;硬岩一般300m。
五、TRT6000地震波三维超前地质预报系统探测方法
(一) 传感器的安装。
由于TRT系统需要得到的是地质情况的三维图, 需要安装的传感器较多, 在不同的部位共安装10个传感器 (如图1) 。安装过程简捷方便, 检测人员到现场安装即可, 不需要提前打炮眼 (较其它预报系统更安全、更节省人工费用) 。在距离最后一个震源点10m处开始布置传感器, 左右边墙各四个, 每隔5m (里程方向) 布置一个, 隧道中心线拱顶处布置2个。
(二) 震源布置:
在掌子面两侧布置震源, 两侧各布置两组, 每组沿竖向 (高程方向) 布置三个震源点, 每个震源点相差大约1m, 两组间隔2m (里程方向) 。击震点布置 (如图1) 在掌子面后的裸露的岩体 (或已到强度的初期支护) 上, 采用锤击即可, 不需要提前打炮眼。
(三)
接收器与孔壁的藕合必须紧密, 施测时隧道中应没有其它振动源。
(四) 数据处理。
采集的数据采用TRT6000专用软件进行处理。TRT数据处理流程由下面八个步聚组成:1、下载地震波数据和震源、传感器位置的坐标;2、设定地层成像区域和最佳精度 (节点数目) 的大小;3、设定滤波, 选取每个记录的直达波, 并计算地震波的平均波速;4、为所选区块构建地震波速度模型;5、为数据处理设定过滤参数;6、重复步聚1、4、5处理数据, 直到处理结果达到平衡, 噪音干扰衰减到足够小;7、设定背景 (比例、颜色代码) 来显示结果;8、审查和分析在岩层中探测到的异常的平面 (二维) 和立体 (三维) 绘图。
(五) 处理结果解释与评估。
采集的TRT数据, 通过TRT软件进行处理, 获得P波、S波波速, 地质层析扫描成像成果图 (见附图1) , 在成果解释中, 以P, S波资料, 地质层析扫描成像图为依据, 对现象进行解释如下:检测范围长度为150m;有效预测长度为120m, 里程为D2K61+230~D2K61+110;预测宽度中心线左右各20m, 高度为40m, 掌子面在图中的位置为30m, 本次勘测的主要反射区为10-50m, 中间主要为负反射, 反射图较完整, 前面和后面主要为正反射。从成因上看, D2K61+220~180处可能为宽40m的不连续软弱岩层及断层破碎带, 主要地质灾害是破碎带冒顶垮塌, 在施工过程中渗水量有可能增大。
六、地质调查与地质素描
(一) 地表基岩岩性。
阿克路隧道出口段出露侏罗系紫红色泥岩夹砂岩, 风化强度中等, 节理裂隙发育, 岩层走向NW310°、倾向NE40°、倾角28°, 主要节理走向NW300°、倾向SW210°、倾角70°。
(二) 隧道工作面素描。
1、阿克路斜井进去距隧道出口150m处, 掌子面青灰色砂岩与紫红色泥岩, 岩层走向NW320°、倾向NE50°、倾角83°, 主要节理走向SW195°、倾向SE1O5°、倾角61°, 节理裂隙发育;岩石裂隙张开, 被泥质填充, 厚约0.2-0.5cm, 在青灰色砂岩与紫红色泥岩的接触面可见宽约5~6m的断层破碎带。2、阿克路隧道工作面里程D2K61+230, 掌子面岩性侏罗系紫红、青灰色泥岩, 岩层走向NW330°、倾向NE60°、倾角55°, 岩体破碎、节理裂隙发育, 局部破劈理密集, 主要节理走向NW295°、倾向SW205°、倾角50°。上导发育一条走向为NW, 宽约0.6m的断层破碎带。
七、综合评价与建议
(一) D2K61+230~220 (10m) 段:
该段围岩等级为V级。该段围岩接近断层破碎带, 在施工过程中注意加强监护, 渗水量可能增大, 注意渗水量的监测和防护。
(二) D2K61+220~180 (40m) 段为不连续软弱岩层及断层破碎带:
隧道渗水量可能增大, 围岩等级为Ⅴ级。建议在该段施工过程中注意加强监护。通过断层破碎带时, 采用小进尺、勤支护的施工方法, 减少岩层的暴露时间、防止垮塌;采用爆破法掘进时, 严格掌握炮眼数量、深度及装药量, 以减少爆破震动对围岩的影响;在施工过程中隧道渗水量有可能增大, 注意渗水量的监测和防护。各施工工序的时间尽量缩短。
(三) D2K61+180~110 (70m) 段:
该段围岩等级为V级。该段围岩探测未发现大型不良地质构造, 要注意控制渗水对隧道施工的影响, 要加强支护, 特别要防止洞顶渗水, 引发掉块、塌方事故的发生, 防垮塌的同时注意监测洞内渗水量。
八、附图
勘测范围:长度为150m, 宽度中心线左右各20m, 高度为40m, 掌子面在图中的位置为30m。
大瑞铁路阿克路隧道出口超前地质预报工作完成后, 超前地质预报成果经过隧道现场施工作业得到了验证。目前, TRT6000地震波三纬超前地质预报系统已经在大瑞铁路一标段十四座隧道进行了超前地质预报并出具了预报成果, 总计预报里程9421米, 精确的预测预报在指导施工作业中发挥了作用, 得到了项目部和指挥部的认可。
摘要：针对长大复杂隧道, 地质条件勘察难度大, 其塌方、涌水突泥等突发性地质灾害将严重危及施工安全, 开展好隧道工程超前地质预测预报, 做到超前预判, 及时决策处理突发性地质灾害是工程建设成败的关键。作为代表国际上隧道超前地质预报领域最领先技术水平的TRT6000系统在大瑞铁路隧道工程施工中发挥了重要作用, 效果良好。
关键词：TRT6000,大瑞铁路隧道,超前地质预报应用